Trudno znaleźć materiał, który wytrzyma ekstremalne obciążenia mechaniczne oraz skrajne temperatury pracy w gorącym i zimnym otoczeniu albo bombardowanie zawartymi w atmosferze pyłami i jeszcze zniesie nieprzyjazne środowisko chemiczne. Da się to jednak zrobić, czego dowodem są materiały zwane nadstopami, nad którymi pracuje dr hab. Jacek Krawczyk wspólnie z kolegami z Instytutu Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Dr hab. Jacek Krawczyk

Rozwiązania opracowane z udziałem naukowca mogą być wykorzystywane przede wszystkim w turbinach silników lotniczych, ale nie tylko. Nadadzą się wszędzie tam, gdzie panują wysokie temperatury czy wymagana jest zwiększona odporność mechaniczna i chemiczna materiału, a więc również w innych maszynach posiadających wysokotemperaturowe turbiny, np. generatorach elektrycznych.

Taniej, bezpieczniej, bardziej ekologicznie

Przy projektowaniu materiału wykorzystywanego do produkcji elementów turbin silników samolotów – bo takimi głównie zajmuje się dr hab. Jacek Krawczyk – ważne jest uwzględnienie wszystkich obciążeń, na jakie wystawiony może być element wykonany z tego nadstopu podczas eksploatacji.

– Samolot przelatuje nad różnymi obszarami. Jeśli znajduje się nad pustynią, to wszelkie pyły zaciągane do silnika mogą powodować w nim mikrouszkodzenia. Groźne mogą być też loty nad oceanami, wystawiające turbiny na mocno zasolone powietrze zasysane do środka. Może to wywołać korozję o różnym charakterze, czasem innym niż standardowa. Należy też wziąć pod uwagę zmiany temperaturowe. Podczas startu samolotu silnik generuje największy ciąg, co wiąże się z wydzielaniem dużej ilości ciepła, ale już wlatując wysoko w atmosferę, zderza się on z ujemnymi temperaturami – wyjaśnia specjalista z UŚ.

Wszystko to ma znaczenie, gdy chce się stworzyć trwały i wytrzymały produkt. W przypadku samolotów aspekt bezpieczeństwa jest szczególnie istotny, stąd poszczególne elementy konstrukcyjne podlegają wymianie, zanim dojdzie do ich uszkodzenia czy zniszczenia. Łopatki turbin mają coś w rodzaju daty ważności, po której koniecznie muszą zostać zastąpione. Celem naukowców z UŚ jest, aby ten okres przydatności wydłużyć. To z kolei przełoży się na bardziej ekonomiczne użytkowanie sprzętu i ograniczenie kosztów funkcjonowania silnika.

Ekspert zwraca również uwagę na sam proces spalania paliwa lotniczego, które jest niezwykle drogie, a do tego wpływa istotnie na zanieczyszczenie środowiska. Ulepszenie turbin silnika mogłoby poprawić obydwa te aspekty poprzez zmniejszenie ilości używanego paliwa i produkowanych odpadów. Można to osiągnąć dzięki zwiększeniu temperatury w komorze spalania. Wymaga to jednak podwyższenia wytrzymałości turbiny, by przy takich warunkach nie utraciła swoich właściwości i nie uległa destrukcji.

– Materiał, z którego wytworzone są badane przez nas łopatki, powstaje na bazie nadstopów niklu. Charakteryzują się tym, że mają stosunkowo wysoką temperaturę topnienia. Wytrzymują nawet 1500 stopni Celsjusza. Ich odporność zwiększają dodatkowe powłoki, dzięki którym one same tak się nie przegrzewają i zachowują odpowiednie właściwości – wyjaśnia dr hab. Jacek Krawczyk.

Walka z defektami

Próba modyfikacji tych właściwości polega na eksperymentowaniu z samym stopem, poprzez np. dodanie kolejnych pierwiastków chemicznych do i tak już bogatego ich składu, wynoszącego nieraz więcej niż dziesięć różnych elementów. W zależności od tego, w jakich stosunkach są one zawarte w materiale, można próbować zwiększać jego odporność na temperaturę czy pewne substancje chemiczne mogące zaszkodzić elementom turbiny.

Co ważne, na jakość łopatek wpływają nie tylko wykorzystane surowce, ale też proces technologiczny, w jakim powstają. Dr hab. Jacek Krawczyk analizuje łopatki pod kątem możliwości eliminacji różnego rodzaju defektów mogących wystąpić przy ich odlewaniu. Zespół naukowca opracowuje propozycje zmian w parametrach technologicznych tworzenia tych produktów, by zmniejszyć ilość występowania niedoskonałości materiału już na samym początku. Nadstop, z którego wykonane są monokrystaliczne łopatki, powinien mieć określoną orientację krystalitów, z jakich jest zbudowany. Wszelkie odstępstwa w tej orientacji, nazywane defektami orientacyjnymi, mogą powodować obniżenie wytrzymałości.

– Dotychczas defekty tego rodzaju były przez środowisko inżynierskie badane w większości w skali makroskopowej. My podeszliśmy do tego problemu nieco inaczej, analizując je również w skali atomowej. Zastosowaliśmy w tym celu całkiem nowe metody i próbowaliśmy powiązać je z tymi, które były już znane i stosowane – tłumaczy specjalista.

Polikrystaliczna łopatka

Ponieważ łopatki wytapiane są w specjalnych piecach przemysłowych, którymi Uniwersytet Śląski nie dysponuje, badacze z Instytutu Inżynierii Materiałowej podjęli współpracę z Politechniką Rzeszowską i funkcjonującym w jej ramach Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego. Ograniczone możliwości badawcze wynikają również z faktu, że zarówno same łopatki, jak i materiały, z jakich powstają, są objęte ochroną patentową. Badacze z UŚ mogą jednak analizować komercyjny nadstop i sugerować zmiany mające poprawić właściwości produktów z niego otrzymanych – może to być inne rozłożenie łopatek w piecu, zmiana rozkładu kanałów chłodzących czy stosowana liczba i rodzaj powłok termicznych. Badacze nie mają jednak wpływu na wszystkie parametry łopatek. Nie mogą decydować np. o kształcie, który zależy od aerodynamiki i jest obiektem osobnych badań.

Wspomniana już analiza pod kątem defektów również przebiega we współpracy z Politechniką Rzeszowską, która udostępnia w tym celu naukowcom ze śląskiej uczelni specjalistyczny dyfraktometr rentgenowski. Zgromadzone w ten sposób dane są następnie porównywane z wynikami uzyskanymi za pomocą sprzętu dostępnego w instytucie. Są to na przykład dyfraktometry rentgenowskie do badań metodą topografii dyfrakcyjnej lub mikroskopy elektronowe do analizy mikrostruktury. Dr hab. Jacek Krawczyk podkreśla, że specjalistom z UŚ udało się znaleźć niszę w postaci badań defektów w bardzo niewielkiej skali, co wcale nie jest łatwe w hermetycznym środowisku związanym z przemysłem lotniczym, w którym materiały i procedury ich wytwarzania bywają bardzo drogie i nie zawsze szerzej dostępne przez wspomnianą ochronę patentową.

Doświadczenie i przypadek

– Inżynieria materiałowa to połączenie wielu dziedzin: fizyki, chemii, często też informatyki – mówi dr hab. Jacek Krawczyk i wspomina, jak dotychczasowe różne zainteresowania badawcze splatają się i kierują go w stronę nowych, inspirujących przedsięwzięć.

Rozpoczynał prace naukowe, skupiając się na elektronicznych materiałach półprzewodnikowych, które możemy stosować jako bazę do wytwarzania różnego rodzaju elementów elektronicznych, na przykład procesorów. W późniejszych latach naukowiec przerzucił się na materiały zwane kwazikryształami. Składają się one z typowych pierwiastków metalicznych, właściwości wytworzonych z nich stopów nie są jednak typowe dla stopów metalicznych, a w części przypominają te dla materiałów ceramicznych.

Dr hab. Jacek Krawczyk zauważa, że pozyskane przez wiele lat doświadczenie bywa czasem doprawione szczęśliwym trafem:

– Ta przypadkowość w pracy naukowca odgrywa niemałą rolę. Czasem coś nie do końca pójdzie po naszej myśli, ale z jakiegoś powodu zaciekawi nas wynik pozornie nieudanego eksperymentu. Możemy wtedy zboczyć z głównej ścieżki i natknąć się na coś bardzo interesującego. Przy tym wszystkim ważne jest też doświadczenie, bo bez niego niekoniecznie dostrzeglibyśmy, że w tych samych wynikach, które początkujący naukowiec by odrzucił, kryje się coś znaczącego – podsumowuje badacz.

Impulsem dla naukowca, by zainteresować się akurat kwazikryształami, była Nagroda Nobla w dziedzinie chemii z 2011 roku przyznana za ich odkrycie Danowi Shechtmanowi. W tamtym czasie wiele ośrodków, niosąc się na noblowskiej fali, podjęło tego rodzaju projekty. Okazało się, że kwazikryształy nadawały się m.in. na powłoki patelni. Ostatecznie zwyciężył teflon jako znacznie tańsze wtedy rozwiązanie.

Dr hab. Jacek Krawczyk zajął się kwazikryształami od strony inżynierskiej i dziś zamierza wykorzystać doświadczenie w pracy nad nimi przy kolejnych przedsięwzięciach badawczych.

– Już planuję powiązania materiałów kwazikrystalicznych z nadstopami. Ponieważ mają właściwości podobne do ceramik, mogą służyć jako bariery cieplne na łopatki. To może być przyszłość – powiązanie podstawowych materiałów, z których wykonane są łopatki turbin, i naniesienie na nie powłok z materiałów kwazikrystalicznych – przewiduje ekspert.